JP6957159B2 - 異なる特性を有する異なる材料で三次元の印刷物を製作するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本明細書において開示されるシステムおよび方法は、三次元の印刷物の製造に関し、より詳しくは、異なる特性を有する材料を使用する三次元の物体の製作に関する。

デジタル付加製造としても知られるデジタル式の三次元物体の製造は、デジタルモデルから実質的に任意の形状の三次元の固形の物体を製作するプロセスである。三次元の物体の印刷は、材料の逐次の層がさまざまな形状にて基板上に形成される付加プロセスである。層を、結合材料の噴出、指向性のエネルギ付与、材料の押し出し、材料の噴出、粉末ビードの融合、シートの積層、または液状フォトポリマー材料の硬化用放射線への暴露によって形成することができる。基板がプラットフォーム上に支持され、プラットフォームを、プラットフォームへと作用可能に接続されたアクチュエータの動作によって三次元的に移動させることができ、基板上に層が形成されるか、あるいは材料堆積装置が、物体を形成する層を生み出すように堆積装置を制御しつつ移動させるための１つ以上のアクチュエータへと動作可能に接続される。三次元の物体の印刷は、主として切断または穿孔などの引き算のプロセスによって被加工物から材料を除去することに頼る伝統的な物体形成技術から区別可能である。

三次元印刷物の付加製造は、多数の競合する特性を有する材料の使用を含むことができる。例えば、印刷による電気デバイスの電気絶縁性の構造体の内部または表面の導電路の形成は、紫外線（ＵＶ）硬化性ポリマーで作られた電気絶縁性の構造体の内部または表面に水性または溶剤系の金属コロイド溶液をもたらすことを含むことができる。導電性の材料は、絶縁性の構造体と比べてきわめて異なる硬化および焼結の条件を有し得る。ポリマーは、典型的には、層の凝固にはるかに少ないエネルギしか必要としない一方で、金属溶液は、融合にはるかに高い温度を必要とする。ポリマー材料を金属コロイド溶液の凝固プロセスのより高い熱に曝すことで、ポリマーの構造体が悪影響を被る可能性がある。したがって、この暴露を避けるために、電路の形成は、電気絶縁性の構造体の形成とは異なる時点で行われ得る。加えて、金属コロイド溶液の体積は、水または溶剤が蒸発するときに大きく減少する。しかしながら、ＵＶ硬化性ポリマーまたは他の電気絶縁性の材料の液滴は、それらが噴出させられたときに有していた体積とほぼ同じ体積を保つ。材料の硬化、乾燥、および焼結によって生じる２つの材料における異なる体積は、層内に空隙またはくぼみを生じさせる。結果として、この平坦でない層上に形成される後続の層が、構造における奇形を有する可能性がある。このように、物体の製作に使用される異なる材料の適用、乾燥、硬化、および焼結の協調が、物体における層の確実かつ一様な形成にとって重要である。部品の層を材料およびそれらの乾燥、硬化、または焼結の異なる特性を参照して形成することを可能にする付加製造プロセスが、有益であると考えられる。

三次元の印刷物の付加製造において異なる特性を有する材料の硬化、乾燥、および焼結を協調させる付加製造方法が、付加製造システムによって形成されるべき物体に対応するレンダリングされたデータをコントローラにおいて受け取るステップと、前記受け取ったレンダリングされたデータを参照して前記物体の層を形成するための少なくとも２つの材料を前記コントローラにおいて特定するステップであって、前記少なくとも２つの材料のうちの１つの材料は、前記少なくとも２つの材料のうちの別の材料の材料特性とは異なる材料特性を有しているステップと、各々の異なる材料特性についての定量化を前記コントローラにおいて特定するステップと、各々の異なる材料特性についての前記特定された定量化を参照して前記レンダリングされたデータを前記コントローラにおいて修正するステップと、形成中の前記物体へと異なる材料特性を有する前記２つの材料を適用するように構成された材料アプリケータを前記コントローラによって動作させるステップであって、前記材料アプリケータは、前記修正後のレンダリングされたデータを参照して動作させられるステップと、を含む。

三次元の印刷物の付加製造において異なる特性を有する材料の硬化、乾燥、および焼結を協調させる付加製造システムが、当該付加製造システムによって形成中の物体へと第１の材料を適用するように構成された第１の材料アプリケータと、当該付加製造システムによって形成中の前記物体へと、前記第１の材料の材料特性とは異なる材料特性を有する第２の材料を適用するように構成された第２の材料アプリケータと、前記第１の材料アプリケータおよび前記第２の材料アプリケータへと作用可能に接続されたコントローラと、を含む。前記コントローラは、当該付加製造システムによって形成されるべき前記物体に対応するレンダリングされたデータを受け取り、前記受け取ったレンダリングされたデータを参照して前記第１の材料および前記第２の材料で形成される前記物体の層を特定し、前記２つの材料の各々の材料特性の定量化を特定し、各々の材料の前記材料特性の前記特定された定量化を参照して前記受け取ったレンダリングされたデータを修正し、前記修正後のレンダリングされたデータを参照して前記第１の材料アプリケータおよび前記第２の材料アプリケータを動作させる、ように構成される。

本方法およびシステムの上述の態様および他の特徴が、以下の説明において解説され、添付の図面との関連において理解される。

図１は、三次元の印刷物の付加製造において異なる特性を有する材料の適用、硬化、乾燥、および焼結を協調させることができる付加製造システムを示している。 図２は、三次元の印刷物の付加製造において異なる特性を有する材料の適用、硬化、乾燥、および焼結を協調させるように付加製造システムを動作させるためのプロセスを示している。

本明細書に開示されるシステムおよび方法ならびにそれらのシステムおよび方法の詳細の全体的な理解のために、図面が参照される。図面において、類似の参照番号は、類似の要素を指し示している。

図１が、形成される物体の層内に領域を形成するために少なくとも２つの異なる材料を噴出させる三次元物体プリンタまたは付加製造システム１００を示している。プリンタ１００は、プラテン１０４と、少なくとも１対の材料アプリケータ１０８Ａ、１０８Ｂとを備える。以下の検討においては、材料アプリケータを噴出ヘッドであるものとして説明するが、押し出し装置または噴霧器など、他の種類の材料アプリケータも使用可能である。各々の噴出ヘッド１０８Ａおよび１０８Ｂは、部品１２６などの三次元の物体の層内の領域を形成するためにプラテン１０４の表面１１２に向かって材料の液滴を噴出させるように構成された複数の噴出器を有する。これらの層内の支持領域を、技術的に公知のとおりの部分的特徴の形成を可能にするために、他の材料で形成することもできる。噴出ヘッド１０８Ａ、１０８Ｂ、ドライヤ１１６、位置指定可能な焼結装置１２０、および硬化装置１２４が、部材１２８へと取り付けられ、部材１２８は、これらの構成要素を処理方向Ｐ、横処理方向ＣＰ、および鉛直方向Ｖにおいてプラテン１０４に対して位置させるべく移動できるように、１つ以上のアクチュエータ１３２へと動作可能に接続される。

プリンタ１００は、少なくとも２つの噴出ヘッド１０８Ａ、１０８Ｂ、ドライヤ１１６、位置指定可能な焼結装置１２０、硬化装置１２４、および１つ以上のアクチュエータ１３２へと作用可能に接続されたコントローラ１３６を含む。コントローラ１３６は、プラテン１０４上の部品１２６などの三次元の物体を形成する層へとレンダリングされた物体イメージデータを参照して噴出ヘッド１０８Ａ、１０８Ｂを動作させるように構成される。三次元の物体の各々の層を形成するために、コントローラ１３６は、噴出ヘッド１０８Ａおよび１０８Ｂをプラテン１０４またはすでに形成済みの層へと材料の液滴を噴出させつつ処理方向Ｐおよび横処理方向ＣＰに１回以上移動させるように、プリンタ１００を動作させる。各々の層の形成後に、噴出ヘッド１０８は、次の層の印刷を始めるために、プラテン１０４から離れるように鉛直方向Ｖに移動することができる。

後述されるように、コントローラ１３６は、システム１００の種々の構成要素を、噴出ヘッド１０８Ａおよび１０８Ｂによって噴出させられる異なる体積減少率を有する異なる種類の材料で絶縁性の構造体上に導電路を形成するためにあらかじめ定められた順序で動作させる。本明細書において使用されるとき、「体積減少」は、材料の乾燥、硬化、または焼結の最中に生じる材料の体積の収縮を指す。例えば、システム１００の噴出ヘッド１０８Ａが、噴出ヘッド１０８Ｂによって噴出させられる材料の収縮率よりも低い収縮率を有する材料を噴出させる。図１に示される実施形態においては、噴出ヘッド１０８Ａが、絶縁性の構造体の形成に適したポリマーを噴出させる一方で、噴出ヘッド１０８Ｂは、ポリマー製の絶縁性の構造体上への導電路の形成に適した導電性インクを噴出させる。システム１００は、異なる材料のための異なる噴出ヘッドを有するものとして説明されているが、噴出ヘッドを、いくつかが或る材料を噴出させ、いくつかが別の材料を噴出させる複数組の噴出器によって構成することができる。

コントローラ１３６は、体積減少または収縮率など、物体を形成するためにシステムによって適用される材料の種々の定量化可能な特性が保存されるメモリ１３８へと動作可能に接続される。本明細書において使用されるとき、用語「材料の特性」は、材料の実験的に定量化することができる特性であって、三次元印刷システムを動作させ、あるいは三次元印刷システムの動作を調節するために参照することができる特性を指す。やはり本明細書において使用されるとき、材料の特性の「定量化」は、所定の量の材料について材料の特性を識別するデータを指す。例えば、材料の「体積減少率」または「収縮率」の特性の定量化は、適用された材料の乾燥、硬化、または焼結の際に所定の量の適用された材料において生じる減少の量を定量化するデータを意味する。図１のコントローラ１３６は、これらのデータを使用して、層内の材料の硬化、乾燥、または焼結、あるいは材料の異なる露出時間または硬化条件によって引き起こされる層内の異なる材料の液滴の間の異なる体積など、製造される部品へと適用される材料の間の相違を明らかにする。これらの材料の相違が、部品の各層における材料の適用、乾燥、および焼結を本来であれば異なる材料特性によって引き起こされ得る悪影響を弱めるやり方で行うことができるように、材料のうちの１つについてレンダリングされた層データを修正するために、コントローラ１３６によって使用される。本明細書におけるさらなる検討を容易にするために、用語「硬化」は、適用された材料を互いに凝固させる適用された材料についてのあらゆる操作を指す。「乾燥」は、主として、比較的高い体積減少率を有する溶液から溶剤を除去する操作を指し、「焼結」は、主として、乾燥させた溶質の隣接する層の互いに結合させる操作を指す。これらの操作は、これらに限られるわけではないが、放射線への暴露、熱処理、化学物質の添加、などを含む。

システム１００においては、ドライヤ１１６が、放射熱源およびファンなど、空気移動装置を備える熱放射の源であるが、他の類似の装置も同様に使用可能である。図１における位置指定可能な焼結装置１２０は、印刷される物体内の層に対応するレンダリングデータに関連して移動するように構成されたレーザであるが、他の焼結装置も使用可能である。硬化装置１２４は、適切な材料を重合させるために有用な紫外線（ＵＶ）放射を発する放射器であるが、他の硬化装置も同様に使用可能である。

図２に示されるプロセス２００が、少なくとも２つの非類似の材料で部品または物体を形成すべくシステム１００を動作させるために使用される。このプロセスが何らかのタスクまたは機能を実行するという言明は、コントローラまたは汎用のプロセッサが、タスクまたは機能を実行すべくデータを操作し、システムの１つ以上の構成要素を動作させるように、コントローラまたはプロセッサへと動作可能に接続された非一時的なコンピュータにとって読み取り可能な記憶媒体に保存されたプログラムされたインストラクションを実行することを指す。上述のプリンタ１００のコントローラ１３６を、プロセス２００を実行するコントローラまたはプロセッサをもたらすための構成要素およびプログラムされたインストラクションを備えて構成することができる。あるいは、コントローラを、本明細書に記載の１つ以上のタスクまたは機能を形成するように各々が構成された２つ以上のプロセッサならびに関連の回路および構成要素で実現することができる。

方法２００は、噴出ヘッド１０８などの材料アプリケータから噴出させられるべき各々の材料についてレンダリングされた層データを受け取ることによって始まる（ブロック２０４）。プロセスは、物体において形成すべき層に異なる材料特性を有する材料が存在するか否かを判断することによって続く（ブロック２０８）。類似の材料を有する１つ以上の材料が層に使用されている場合、材料アプリケータが、これらの材料で層を形成するように動作させられ、その後に層が、適切に硬化させられる（ブロック２１２）。例えば、図１の形成中の部品１２６において、下部の２つの層は、基礎の構成に有用なポリマーのみで形成される。したがって、層についてレンダリングされたデータが、第１の層を形成すべく噴出ヘッド１０８Ａを動作させるためにコントローラによって使用され、次いで硬化装置１２４が、噴出させられた層を硬化させるべく動作させられ、その後に次の層が、噴出ヘッド１０８Ａからの材料で形成され、装置１２４を使用して硬化させられる。異なる材料特性を有する２つの材料で形成される層に関しては、各々の材料の１つ以上の特性についての定量化が特定され（ブロック２１６）、プロセスが、定量化された材料特性を参照して各々の材料についてレンダリングされた層データを修正する（ブロック２２０）。次いで、修正後のレンダリングされたデータが、異なる材料で適切に層を形成すべく材料アプリケータを動作させるために使用される（ブロック２３０）。例えば、レンダリングされたデータを、材料を不都合な環境条件に曝すことなく２つの材料を異なる時点で処理できるよう、２つの材料を異なる時点において形成中の物体へと適用できるように修正することができる。次いで、所定の動作が、材料を不都合な環境条件などに過度に曝すことなく形成中の層を完成させるための適切な手順で層内の適用された材料を処理するために定量化された材料特性を参照して構成要素を動作させることによって、材料について実行される（ブロック２３６）。部品１２６において、これらの所定の動作は、異なる時点における異なる材料の硬化、乾燥、または焼結のために硬化装置、乾燥装置、および焼結装置を動作させるコントローラを含むことができる。材料アプリケータ、乾燥装置、硬化装置、および焼結装置の動作は、形成中の物体に関連してこれらの構成要素を移動させるためにコントローラで１つ以上のアクチュエータを動作させることを含むことができる。

プロセス２００をさらに参照すると、表面形状測定装置などの光学装置を、層が部品の継続した製造のために適切に一様であることをプロセスによって確認できるよう、硬化した層の画像データを生成するために使用することができる（ブロック２４０）。層が適切に形成されている場合（ブロック２４４）、プロセスは、別の層を形成すべきであるか否かを判断し（ブロック２４８）、形成すべきである場合、次の層の材料を特定する（ブロック２０８）。層が不適切に形成されている場合、手当ての措置が行われ（ブロック２５２）、あるいは形成すべきさらなる層が存在しない場合、プロセスは停止する（ブロック２５６）。

システム１００を動作させるために使用されるプロセス２００の一例において、電気絶縁性の構造体は、絶縁性の構造体の内部または表面に導電路を形成するために使用される別の材料の体積減少率よりも小さい体積減少率という材料特性を有する材料で形成される。本方法は、異なる体積減少率を有する材料が物体における形成すべき層内に存在するか否かを判断し、存在する場合には、各々の材料の体積減少の量を特定する。次いで、プロセスは、材料を噴出させる一式の噴出器を層の一部分を形成すべく動作させることができるように、２つの体積減少率を参照して材料についてレンダリングされた層データを修正し、硬化装置が、噴出させられた材料を硬化させるように動作させられる。次いで、所定の動作が、適切な暴露時間にわたって異なる順序で異なる材料を硬化、乾燥、および焼結させるために適切な時点において適用された材料について実行される。したがって、硬化した電気絶縁性の構造体へと、絶縁性の構造体の高さよりも大きい高さを生み出すような量の導電インクを適用することができる。導電インクの乾燥および焼結の動作が行われた後で、より大きい体積減少率を有する材料で形成された焼結後の材料の高さは、より低い体積減少率を有する材料で製作された電気絶縁性の構造体の高さとほぼ同じである。読者は、焼結および乾燥の通過の回数が、必ずしも一致する必要がないことに、注意すべきである。例えば、導電インクの４つの層を、電気絶縁性の構造体へと適用することができ、各層を個別に乾燥させることができるが、焼結は１つおきの層にて行われる。したがって、層について、４回の乾燥処理が実行される一方で、焼結処理は２回だけしか行われない。適用された層について使用される処理の他の組み合わせも可能である。

Claims (3)

1. 付加製造システムであって、
   当該付加製造システムによって形成中の物体へと第１の材料を適用するように構成された第１の材料アプリケータと、
   当該付加製造システムによって形成中の前記物体へと、前記第１の材料の材料特性とは、硬化、乾燥、または焼結において異なる材料特性を有する第２の材料を適用するように構成された第２の材料アプリケータと、
   前記第１の材料アプリケータおよび前記第２の材料アプリケータへと作用可能に接続されたコントローラと
   硬化装置と、
   放射熱源を備える乾燥装置と、
   焼結装置と
   を備えており、
   前記コントローラは、
   前記硬化装置、前記乾燥装置、および前記焼結装置へと接続されており、
   当該付加製造システムによって形成されるべき前記物体に対応するレンダリングされたデータを受け取り、
   前記受け取ったレンダリングされたデータを参照して前記第１の材料および前記第２の材料で形成される前記物体の層を特定し、
   前記２つの材料の各々の材料特性について、体積減少率または収縮率を用いて定量化された、材料の特性を識別するデータを特定し、
   各々の材料の前記材料特性の定量化された前記特定されたデータを参照して前記受け取ったレンダリングされたデータを修正し、
   前記修正後のレンダリングされたデータを参照して前記第１の材料アプリケータおよび前記第２の材料アプリケータ、前記硬化装置、前記乾燥装置、および前記焼結装置を動作させる
   ように構成されている、付加製造システム。
2. 前記コントローラは、
   前記第１の材料を硬化させるために前記硬化装置を動作させ、
   前記第２の材料を乾燥させるために前記乾燥装置を動作させ、
   前記乾燥させた材料を一体に結合させるために前記焼結装置を動作させる
   ようにさらに構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記硬化装置は、ＵＶ放射源をさらに備える、請求項１又は２に記載のシステム。

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